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KR20160082998A - 비인가자에 의한 셀 교환을 검출하기 위한 회로 장치 및 배터리 모듈을 포함하는 장치 - Google Patents

비인가자에 의한 셀 교환을 검출하기 위한 회로 장치 및 배터리 모듈을 포함하는 장치 Download PDF

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KR20160082998A
KR20160082998A KR1020167011989A KR20167011989A KR20160082998A KR 20160082998 A KR20160082998 A KR 20160082998A KR 1020167011989 A KR1020167011989 A KR 1020167011989A KR 20167011989 A KR20167011989 A KR 20167011989A KR 20160082998 A KR20160082998 A KR 20160082998A
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마티아스 무쉬
홀거 슈텍뮐러
스벤 게블러
안드레 아흐스테터
Original Assignee
로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 갈바닉 개별 셀(20)로 구성되는 배터리 모듈(10)과, 배터리 모듈(10)의 최고 전위와 배터리 모듈(10)의 기준 전위 사이의 모듈 전압(UMOD)용 탭을 포함하는 장치(1)에 관한 것이다. 본 발명의 핵심은, 장치(1)가, 모듈 전압(UMOD)용 탭과 연결되며, 모듈 전압(UMOD)이 영(0)으로 강하될 때 신호(35)를 출력하도록 구성되는 회로 장치(30)를 포함한다는 것이다.

Description

비인가자에 의한 셀 교환을 검출하기 위한 회로 장치 및 배터리 모듈을 포함하는 장치{APPARATUS WITH A BATTERY MODULE AND CIRCUIT ARRANGEMENT FOR DETECTING CELL EXCHANGE BY UNAUTHORIZED PERSONS}
본 발명은 적어도 하나의 갈바닉 개별 셀로 구성된 배터리 모듈과, 배터리 모듈의 최고 전위와 배터리 모듈의 기준 전위 사이의 모듈 전압용 탭(tap)을 포함하는 장치에 관한 것이다.
하이브리드 또는 전기 자동차의 경우, 저장 배터리들, 예컨대 리튬이온 축전지들은 기술적으로 유용한 전압 또는 기술적으로 유용한 전류를 공급할 수 있도록 복수의 개별 셀로 구성된다. 전압 또는 전류를 이용할 수 있도록 하기 위해, 상기 저장 배터리들은, 컨슈머들뿐만 아니라 모니터링 및 제어 유닛들도 연결될 수 있는 탭을 포함한다.
본 발명의 과제는, 배터리 모듈의 하나 또는 복수의 개별 셀이 비인가자에 의해 교환되었는지의 여부를 검출하는 것이다.
비인가자에 의한 개별 셀들의 이런 교환은 결과적으로 배터리 팩의 제어를 위해 배터리 관리 시스템(BMS)에 공급되는 데이터가 더 이상 서로 매칭되지 않게 하고 그에 따라 고장 없는 작동이 더 이상 보장될 수 없게 한다. 또한, 그로 인해, 작동 동안, 예컨대 원래 셀들과는 다른 셀들이 조립되거나, 또는 셀들이 잘못 연결되는 경우, 화재 및 폭발 위험이 커진다.
본 발명은, 적어도 하나의 갈바닉 개별 셀로 구성되는 배터리 모듈과, 배터리 모듈의 최고 전위와 배터리 모듈의 기준 전위 사이의 모듈 전압용 탭을 포함하는 장치를 기반으로 한다. 본 발명의 핵심은, 상기 장치가, 모듈 전압용 탭과 연결되며, 모듈 전압이 영(0)으로 강하될 때 신호를 출력하도록 구성되는 회로 장치를 포함한다는 것이다. 이 경우, 바람직하게는, 출력된 신호에 의해, 셀이 교환되었는지의 여부가 검출될 수 있다. 그에 따라, 비인가자가 셀 교환을 실행했는지의 여부를 알 수 있다.
본 발명의 한 바람직한 구현예에 따라서, 장치는 신호를 수신하고 처리하도록 구성되는 처리 유닛을 포함한다. 이 경우, 바람직하게는, 처리 유닛은, 예컨대 배터리 모듈의 셀이 교환되었음이 외부를 향해 가시되게 하기 위해 회로 장치의 신호를 이용할 수 있다.
본 발명의 추가의 바람직한 구현예에 따라서, 처리 유닛은 신호를 저장하도록 구성된다. 이 경우, 바람직하게는, 회로 장치가 다시 초기 상태로 리셋되는 경우에도, 예컨대 개별 스위칭 부재들의 교환 또는 신호의 조절에 의해 추후에 셀이 교환되었던 사실이 검출될 수 있다.
본 발명의 한 바람직한 실시형태에 따라서, 회로 장치는 커패시터, 직렬 저항기, 정상 도통 MOSFET, 퓨즈뿐만 아니라, 제 1 회로 노드, 제 2 회로 노드, 제 3 회로 노드 및 제 4 회로 노드를 포함하고, 제 1 회로 노드에는 배터리 모듈의 최고 전위가 인가되고, 제 2 회로 노드에는 배터리 모듈의 기준 전위가 인가되고, 커패시터는 제 2 회로 노드와 제 3 회로 노드 사이에 배치되고, 직렬 저항기는 제 1 회로 노드와 제 3 회로 노드 사이에 배치되고, 퓨즈는 제 3 회로 노드와 제 4 회로 노드 사이에 배치되고, 제 4 회로 노드는 MOSFET의 드레인 단자와 연결되고, MOSFET의 소스 단자는 제 2 회로 노드와 연결되며, MOSFET의 게이트 단자는 제 1 회로 노드와 연결된다. 이 경우, 바람직하게는, 회로 장치가 소수의 부품으로만 구성되지만, 그럼에도 모듈 전압이 영(0)으로 강하되면 확실하게 신호를 출력한다.
본 발명의 추가의 바람직한 실시형태에 따라서, 회로 장치는 전압 조정기와, 플립플롭, 특히 비동기 제어 입력단들을 구비한 플립플롭을 포함하고, 전압 조정기의 입력단에는 모듈 전압이 인가되고, 전압 조정기의 출력단은 플립플롭과 연결되며, 전압 조정기뿐만 아니라 플립플롭도 접지로서 배터리 모듈의 기준 전위를 이용한다. 이 경우, 바람직하게는, 플립플롭은 출력단에서 2개의 가능한 안정 상태 중 하나의 안정 상태만을 취할 수 있으며, 어떠한 상태가 출력되는지에 따라서 모듈 전압이 영(0)으로 강하되었는지 또는 아닌지의 여부가 추론될 수 있다.
본 발명의 추가의 바람직한 구현예에 따라서, 회로 장치의 라인들은 다층 인쇄회로기판의 내부에 배치된다. 이 경우, 바람직하게는 상기 구조는 조작 시도를 저지한다. 그 결과, 예컨대, 라인들이 간단하게 브리지되고 그런 다음 개별 셀들이 검출되지 않은 상태로 비인가자에 의해 교환될 수 있는 것이 방지된다.
본 발명의 추가의 바람직한 실시형태에 따라서, 모듈 전압용 탭은 코팅 재료, 특히 래커 또는 수지로 코팅된다. 이 경우, 바람직하게는, 회로 장치에 의해 검출될 수 없도록 하면서 셀들을 교환하도록 배터리 모듈을 브리지하기 위해 누군가 탭에 접촉한 경우, 시각적 검출이 가능해질 수 있다. 그에 따라, 이 실시형태도 조작 시도를 저지한다.
도 1은, 회로 장치 및 처리 유닛을 포함하는 본 발명에 따른 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 회로 장치의 제 1 실시예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 회로 장치의 제 2 실시예를 도시한 도면이다.
도 1에는, 회로 장치 및 처리 유닛을 포함하는 본 발명에 따른 장치가 도시되어 있다. 여기서는 배터리 모듈(10)과, 회로 장치(30)와, 처리 유닛(40)으로 구성되는 장치(1)가 도시되어 있다. 이 경우, 배터리 모듈(10)은 직렬 연결된 복수의 갈바닉 개별 셀(20)로 구성된다. 또한, 장치(1)는 배터리 모듈(10)의 최고 전위와 배터리 모듈(10)의 기준 전위 사이의 탭도 포함하며, 이 탭에서 모듈 전압(UMOD)이 탭될 수 있다. 상기 탭은 회로 장치(30)와 연결되므로 회로 장치(30)에 순간 모듈 전압(UMOD)이 제공된다. 회로 장치(30)는 또한 처리 유닛(40)과 연결되며, 그럼으로써 회로 장치(30)는 처리 유닛(40)으로 신호(35)를 전송할 수 있다.
도면에 도시되지 않은 대안적 실시예에서, 처리 유닛(40)은 마이크로컨트롤러로서 구현된다. 마이크로컨트롤러는 회로 장치(30)로부터 신호(35)를 수신하며, 상기 신호(35)로부터, 모듈 전압(UMOD)이 영(0)으로 강하되었고 그에 따라 하나 또는 복수의 개별 셀(20)이 교환되었는지의 여부를 추론할 수 있다. 이것이 검출된다면, 마이크로컨트롤러는 검출된 이벤트를 대안으로서 차후 시점에 판독 출력될 수 있도록 하기 위해 내부 메모리 유닛 내에도 저장할 수 있다. 또한, 하나 또는 복수의 셀(20)이 비인가자에 의해 교환되었음을 사용자에게 명확하게 알리기 위해, 마이크로컨트롤러가 예컨대 LED를 이용하여, 또는 디스플레이 상에 표시하는 것을 통해, 신호를 외부로 제공하는 것도 가능하다. 추가의 대안적 구현예에서, 배터리 모듈(10)은 임의로 병렬 및/또는 직렬 연결된 개별 셀들(20)로도 구성될 수 있다. 그러나 이 경우 유의해야 할 사항은, 적어도 하나의 개별 셀(20)을 제거할 때 배터리 모듈(10)이 무전압 상태가 되는 것이 보장되어야 한다는 것이다. 추가의 대안적 구현예로서, 배터리 모듈(10) 대신, 단일의 개별 셀 또는 배터리 팩이 배치되는 것도 가능하다.
도 2에는, 본 발명에 따른 회로 장치의 제 1 실시예가 도시되어 있다. 이 경우, 회로 장치(30)는 커패시터(50)와, 직렬 저항기(60)와, 정상 도통 MOSFET(70)와, 퓨즈(80)와, 제 1 회로 노드(K1)와, 제 2 회로 노드(K2)와, 제 3 회로 노드(K3)와, 제 4 회로 노드(K4)로 구성된다. 배터리 모듈(10)로부터 탭에 의해 공급되는 모듈 전압(UMOD)은, 제 1 회로 노드(K1)가 배터리 모듈(10)의 최고 전위와 연결되고 제 2 회로 노드(K2)는 배터리 모듈(10)의 기준 전위와 연결되는, 회로 장치(30)에 공급된다. 또한, 제 2 회로 노드(K2)와 제 3 회로 노드(K3) 사이에 커패시터(50)가 배치된다. 추가로, 제 1 회로 노드(K1)와 제 3 회로 노드(K3) 사이에 직렬 저항기(60)가 배치되며, 이 직렬 저항기를 통해 커패시터(50)가 충전된다. MOSFET(70)는 드레인 측에서 제 4 회로 노드(K4)와 연결되고, 소스 측에서 제 2 회로 노드(K2)와 연결되며, 게이트 측에서는 제 1 회로 노드(K1)와 연결된다. 또한, 퓨즈(80)는 제 3 회로 노드(K3)와 제 4 회로 노드(K4) 사이에 배치된다. 또한, 제 4 회로 노드(K4)에는 신호(35)용 탭이 배치된다.
도 2에 따르는 회로 장치(30)는, 작동 중에, 커패시터(50)가 직렬 저항기(60)를 통해 모듈 전압(UMOD)에 의해 충전되도록 기능한다. 존재하는 모듈 전압(UMOD)은 정상 도통 MOSFET(70)의 게이트에 인가되며, 그럼으로써 상기 MOSFET는 차단된다. 이제, 예컨대 직렬 연결된 셀들(20) 중 하나가 교환되기 때문에, 모듈 전압(UMOD)이 영(0)으로 강하하면, 게이트 전압도 영(0)이 되고 MOSFET(70)는 도통된다. 그리고 나서, 커패시터(50)는 이제 도통된 MOSFET(70)를 통해, 그리고 퓨즈(80)를 통해 방전된다. 이 경우, 커패시터(50)의 용량이 충분히 큰 경우, 퓨즈(80)는 끊어지고, 이는 다시금 이제 고-옴인 퓨즈를 통한 전압 강하를 야기하며, 이 전압 강하는 신호(35)로서 탭된다. 그에 따라, 신호(35)에 의해, 모듈 전압(UMOD)이 영(0)으로 강하되었는지의 여부가 추론될 수 있으며, 이는 다시 가능한 셀 교환을 나타낸다.
도면에 도시되지 않은 대안적 실시예에서, 퓨즈(80)는 안전 퓨즈로서 구현된다. 그 결과, 육안 점검에 의해서도 이미, 모듈 전압(UMOD)이 영(0)으로 강하되고 그에 따라 하나 또는 복수의 개별 셀(20)이 교환되었다는 것에 대한 분명한 표시로서 퓨즈(80)가 끊겼는지의 여부가 검사될 수 있다. 대안으로서, 자기 재설정형 퓨즈(self-resetting fuse) 또는 회로 차단기를 사용하는 것도 가능하며, 그럼으로써 수회의 셀 교환이 검출될 수도 있다. 또한, 비인가자에 의한 개별 셀들(20)의 교환 후에, 회로 장치(30)를 다시 이 회로 장치(30)의 작동 개시 시에 제공되었된 것과 같은 상태로 전환하기 위해, 퓨즈(80)가 교환되지 않아도 된다.
도 3에는, 본 발명에 따른 회로 장치의 제 2 실시예가 도시되어 있다. 이 경우, 회로 장치(30)는 전압 조정기(90)와, 비동기 제어 입력단들을 구비한 플립플롭(100)으로 구성된다. 전압 조정기(90)의 입력단은 배터리 모듈(10)의 최고 전위와 연결된다. 또한, 전압 조정기(90)는 접지로서 배터리 모듈(10)의 기준 전위를 이용한다. 전압 조정기(90)의 출력단은, 공급 입력단, 신호 입력단, 그리고 플립플롭(100)의 부정 리셋 사전 설정값 입력단(negated reset preset value input) 및 부정 시작 사전 설정값 입력단(negated start preset value input)과 연결된다. 플립플롭(100)의 출력단은 회로 장치(30)로부터 나와 신호(35)를 형성한다. 또한, 플립플롭(100)도 접지로서 배터리 모듈(10)의 기준 전위를 이용한다.
도 3에 따르는 회로 장치(30)는, 작동 중에, 작동 개시 시에 플립플롭(100)이 클록 신호에 의해 설정되고 그에 따라 신호(35)를 나타내는 플립플롭(100)의 출력단이 규정된 상태를 갖도록 기능한다. 이 경우, 전압 조정기(90)는, 배터리 모듈(10)의 충전 및 방전 과정들에 의해 야기되는 모듈 전압(UMOD)의 변동에도 불구하고 플립플롭(100)을 위한 일정한 공급 전압이 공급되도록 하기 위해 사용된다. 그 결과, 플립플롭(100)의 입력단들에서의 전압 변동에 의해 야기될 수도 있는, 플립플롭(100)의 출력단에서의 가능한 상태 변화는 방지된다. 그러나 전압 조정기의 입력단에서의 전압이 셀 교환으로 인해 영(0)으로 강하되면, 전압 조정기로부터 전압 공급되는 플립플롭의 입력단들도 영(0)으로 된다. 그런 다음, 공급 전압의 재인가는 플립플롭(100)의 출력단 상태를 변경하며, 그럼으로써 신호(35)의 값이 변동된다. 회로 장치의 작동 개시 시에 설정되는 기대치와 신호(35)의 편차에 의해, 일반적으로, 가능한 셀 교환을 시그널링하는 사항으로서 모듈 전압(UMOD)이 영(0)으로 강하된 것을 추론할 수 있다.
1: 장치
10: 배터리 모듈
20: 셀
30: 회로 장치
35: 신호
40: 처리 유닛
50: 커패시터
60: 직렬 저항기
70: 정상 도통 MOSFET
80: 퓨즈
90: 전압 조정기
100: 플립플롭
110: 코팅 재료
K1: 제 1 회로 노드
K2: 제 2 회로 노드
K3: 제 3 회로 노드
K4: 제 4 회로 노드
UMOD: 모듈 전압

Claims (7)

  1. 적어도 하나의 갈바닉 개별 셀(20)로 구성되는 배터리 모듈(10)과, 배터리 모듈(10)의 최고 전위와 배터리 모듈(10)의 기준 전위 사이의 모듈 전압(UMOD)용 탭을 포함하는 장치(1)에 있어서,
    상기 장치(1)는 회로 장치(30)를 포함하고, 상기 회로 장치(30)는 상기 모듈 전압(UMOD)용 탭과 연결되며 상기 모듈 전압(UMOD)이 영(0)으로 강하될 때 신호(35)를 출력하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치(1).
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 장치(1)는, 상기 신호(35)를 수신하고 처리하도록 구성되는 처리 유닛(40)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(1).
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 처리 유닛(40)은 상기 신호(35)를 저장하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치(1).
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회로 장치(30)는 커패시터(50), 직렬 저항기(60), 정상 도통 MOSFET(70), 퓨즈(80)뿐만 아니라, 제 1 회로 노드(K1), 제 2 회로 노드(K2), 제 3 회로 노드(K3) 및 제 4 회로 노드(K4)를 포함하고,
    - 상기 제 1 회로 노드(K1)에는 상기 배터리 모듈(10)의 최고 전위가 인가되고,
    - 상기 제 2 회로 노드(K2)에는 상기 배터리 모듈(10)의 기준 전위가 인가되고,
    - 상기 커패시터(50)는 상기 제 2 회로 노드(K2)와 상기 제 3 회로 노드(K3) 사이에 배치되고,
    - 상기 직렬 저항기(60)는 상기 제 1 회로 노드(K1)와 상기 제 3 회로 노드(K3) 사이에 배치되고,
    - 상기 퓨즈(80)는 상기 제 3 회로 노드(K3)와 상기 제 4 회로 노드(K4) 사이에 배치되고,
    - 상기 제 4 회로 노드(K4)는 상기 MOSFET(70)의 드레인 단자와 연결되고,
    - 상기 MOSFET(70)의 소스 단자는 상기 제 2 회로 노드(K2)와 연결되며,
    - 상기 MOSFET의 게이트 단자는 상기 제 1 회로 노드(K1)와 연결되는 것을 특징으로 하는 장치(1).
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회로 장치(30)는 전압 조정기(90)와, 플립플롭(100), 특히 비동기 제어 입력단들을 구비한 플립플롭을 포함하고,
    - 상기 전압 조정기(90)의 입력단에는 상기 모듈 전압(UMOD)이 인가되고,
    - 상기 전압 조정기(90)의 출력단은 상기 플립플롭(100)과 연결되며,
    - 상기 전압 조정기(90)뿐만 아니라 상기 플립플롭(100)도 접지로서 상기 배터리 모듈(10)의 기준 전위를 이용하는 것을 특징으로 하는 장치(1).
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회로 장치(30)의 라인들은 다층 인쇄회로기판의 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치(1).
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모듈 전압(UMOD)의 탭은 코팅 재료(110), 특히 래커 또는 수지로 코팅되는 것을 특징으로 하는 장치(1).
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